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我心中的英雄——伽利略

2005-12-15 01:53:49

大、中、小

加利略

文藝復興之後，壹些在人們心中沸騰的偉大思想終於在伽利略(1564-1642)劃時代的工作中得到了實際的結果。萊昂納多已經在他考慮的無數主題中預示了現代科學的精神。哥白尼在思想界發起了壹場革命。吉爾伯特解釋了實驗方法是如何增加知識的。但是在伽利略那裏，新的精神比前壹個更進壹步。他年輕時相信亞裏士多德，但成年後不再相信亞裏士多德的理論，掌握了新的原理。他知道自己需要專註於現代研究，所以他仔細而系統地研究壹些狹隘的問題，而不是像無所不能的天才列奧納多那樣在許多學科上分散註意力。哥白尼的天文學是根據數學簡單性的“先驗”原理建立的，但伽利略用望遠鏡實際檢驗了它。最重要的是，他將吉爾伯特的實驗方法和歸納方法與數學演繹方法結合起來，從而發現並建立了物理科學的真正方法。

伽利略確實是第壹個現代人物；讀他的作品，我們本能地感到無憂無慮；我們知道他達到了沿用至今的物理科學方法。過去人們總是先采用壹個完整的、自證的知識體系，這是中世紀新柏拉圖主義和經院哲學的特征。現在，伽利略放棄了這種方法。事實不再是從權威和理性的綜合中推導出來的，也不必像經院哲學那樣，符合這種權威和理性的綜合；事實甚至不再像在開普勒心目中那樣基於這種綜合來實現意義。來自觀察或實驗的每壹個事實及其直接和必然的推論都被照原樣接受，不管人們多麽想立刻把自然置於理性的管轄之下。許多孤立的事實的壹致逐漸顯露出來，圍繞每個事實的狹窄的知識範圍零星接觸，可能會融合成更大的範圍。但是，如果把所有的科學和哲學知識整合成壹個更高的、包羅萬象的統壹體不是不可能的，那就必須推遲到遙遠的未來。中世紀經院哲學是理性的；現代科學本質上是經驗主義的。前者崇拜人的理性，在權威規定的範圍內活動；後者接受了無情的事實，不管它是否理性。

伽利略首先發明了溫度計。這是壹根玻璃管，頂部有壹個氣囊，開口端浸入水中。1609年，他聽說壹個荷蘭人發明了壹種可以放大遠處物體的鏡子。伽利略立即根據他對光折射的知識制作了同樣的儀器，並很快制作了壹個相當好的儀器，它可以將物體的直徑放大30倍。從那以後，新的發現立即接踵而至。哲學家們壹直認為完全光滑無瑕的月球表面現在布滿了斑點，表示崎嶇的山脈和荒涼的山谷。無數以前看不見的星星，現在在我們面前閃爍；自古未解的星系問題，現在解決了。人們現在看到木星軌道上有四顆衛星相伴，有其可測周期；這是地月系科學家哥白尼的模型，他說它圍繞太陽運行，但它更復雜，更可見。帕多瓦的哲學教授不想看壹眼伽利略的望遠鏡，而他的比薩同事則試圖在大公面前用邏輯論證證明“他好像用魔咒從天上詛咒了新行星”。

在望遠鏡的幫助下，每個人都可以再次按下它的事實證明了天文學的新理論，而在此之前，天文學的理論只是建立在先驗的數學簡單性之上。幾乎與伽利略同時期，在將代數改進為現代形式方面做出巨大貢獻的英國數學家哈裏奧特也用望遠鏡觀測了月球和木星的衛星，但他在去世前沒有公布自己的發現。

伽利略的主要和最原始的工作是為動力學奠定基礎。這個時候在靜力學上有了壹些進步，尤其是布魯日的史蒂文(1586)。他在斜面和力的綜合，以及流體靜力學的水壓方面做了壹些工作，但人們對運動的概念仍然是由未經訓練的觀察和亞裏士多德的理論組成的大雜燴。物體被認為具有所謂的本質重量或重量輕，它們以與自身重量成正比的速度下落或上升，因為它們用不同的力“尋找自己的自然位置”。大約在1590年，斯特芬和德格魯特在代爾夫特證明了輕的和重的物體同時下落，那麽它們同時到達地面。伽利略可能重新做了這個實驗(不是在比薩斜塔上)，因為他說過炮彈落下的速度不比子彈快。

哥白尼和開普勒證明了地球和其他行星的運動可以用數學來表達。伽利略覺得地球的所有部分也在“局部運動”中以數學的方式運動。所以他想找的不是物體為什麽降落，而是它是如何降落的，也就是根據什麽數學關系降落的；這是科學方法的壹大進步。

物體下落的速度越來越快。這種增加的規律是什麽？伽利略的第壹個假設本身就非常合理。這個假設認為速度與著陸的距離成正比。但這個假設包含了壹個矛盾，於是他嘗試了另壹個假設，即速度與著陸時間成正比。這個假設被證明並不難，於是伽利略推導出了它的結論，並與實驗結果進行了比較。

物體自由落體時，速度太高，用當時現有的儀器很難測量，更難得到準確的結果。因此，有必要將這個速度降低到壹個方便的極限。伽利略最初認為，物體沿斜面下落的速度與垂直下落相同距離所獲得的速度相同。然後他使用斜面實驗，發現他的測量結果與根據以下假設及其數學推論計算的結果壹致。假設速度與著陸時間成正比；這個假設的數學推論是，物體下落的空間隨著時間的平方而增加。他還再次發現了另壹個事實；鐘擺的振蕩周期與擺動幅度無關(輕微擺動時)；可以看出，在相同的時間內，重力使鐘擺的速度增加了相同的量。

伽利略還發現，如果摩擦力可以忽略不計，那麽不管斜面的傾斜度如何，球都可以沿著斜面滾下去，直到和起點壹樣高。如果第二個面是水平的，球會在這個面上保持勻速向前運行。

除了希臘原子論者和少數現代人如列奧納多、貝尼代蒂(貝尼代蒂，1585)之外，壹直認為每壹個運動都必須有壹個持續的力來維持。行星必須有亞裏士多德的“不動的動子”或開普勒的太陽通過以太的作用來維持它們的運轉。但經過伽利略的研究，人們認識到需要外力的不是運動，而是運動的產生或停止，或者運動方向的改變。由於物質具有慣性，壹旦行星系統開始運動，就不需要力來維持行星的運動；雖然必須找到壹個原因來解釋它們為什麽壹直離開直線路徑，在圍繞太陽的軌道上運行。以前不可能正確提出這個問題，但是現在解決的途徑已經打開，解決的人就在眼前，因為牛頓出生於1642，伽利略去世的那壹年。

伽利略在動力學方面有了另壹個重要發現。在他之前，拋射體的路徑已經是壹個不同推測的問題。伽利略看到拋體的運動可以分析成兩個分量:壹個是水平方向，速度不變，壹個是垂直方向，遵循落體定律。兩個分量組合後，路徑是壹條拋物線。

伽利略的哲學思想壹方面接近開普勒，另壹方面接近牛頓。他和開普勒壹樣，想找到自然現象之間的數學關系，但他要找的不是神秘的原因，而是理解支配自然變化的永恒規律，不管“自然原因能不能理解”。

這說明伽利略已經遠遠離開了整個自然是為人而創造的經院哲學。但在伽利略看來，上帝將這種嚴格的數學必然性賦予了自然，然後創造了“人類通過自然的認識，使人類的認識經過巨大的努力，能夠探索出自然的壹點秘密”。

歐幾裏得和他的前輩們把幾何歸入數學領域。希帕克、哥白尼和開普勒表明天文學可以簡化為幾何學。伽利略也以同樣的方式對待地面上的動力學，把它變成了壹個數學系。從構成壹門新科學的題材中觀察到的壹種混沌現象和壹種混沌模糊概念中創造出壹門新科學，第壹步總是要把握幾個可以準確定義的概念，而這個定義至少要在壹段時間內有效；如果可能的話，這個定義應該使我們能夠用數學方法處理這些概念。為了把自己落體的加速度變成壹個可以研究的問題，伽利略首先給了古老的距離和時間概念壹個精確的數學形式。亞裏士多德和經院哲學家的主要興趣在於最終原因。他們認為地球上的運動並不類似於天文學中的天體運動，而是形而上學的壹個分支。於是他們用功能、動機、目的、自然位置等模糊概念，從本質的角度來分析運動。關於運動本身，他們很少談論或思考，只是舉出運動的幾個區別，比如自然運動和激烈運動的區別，直線運動和圓周運動的區別等等。在伽利略看來，這壹切都是無用的。他想研究的不是為什麽，而是運動是如何發生的。定性的方法使空間和時間成為亞裏士多德思想中壹些不重要的範疇。伽利略使時間和空間在物理科學中具有了原始的和根本的性質，時間和空間在此後的物理科學中壹直具有這種性質。他和其他人也意識到慣性中除了重量還有壹定的量。但質量的確切定義是由牛頓首先提出的，能量的概念直到十九世紀中葉才形成和定義。

盡管如此，伽利略還是邁出了數學動力學的第壹步，也是最困難的壹步，即他從經院哲學在分析變化和運動時所采用的模糊目的論範疇跳到了確定時間和空間的數學概念。伯特教授認為，我們今天的許多哲學難題都是由這壹步造成的。我們也許可以回答說，這壹步揭示並澄清了亞裏士多德物理學所掩蓋的許多困難。總之，有壹點是肯定的:如果沒有伽利略的新視野，動力科學就不會有那樣的發展。如果他的壹些後繼者過高估計了這門學科與形而上學的現實問題之間的關系，這並不是伽利略的錯。事實上，他寧願承認無知，耐心等待那些只能用輕率的猜測來回答或者只能用哲學體系來推導的問題。他承認自己對力的本質、萬有引力的起因和宇宙的起源壹無所知。他認為，與其誇大廢話，不如“宣布那句巧妙、巧妙、謙遜的警句:‘我不知道’”。

也許在物理學其他部門的哲學問題上，伽利略和他的前輩們壹樣重要。開普勒承認壹個物體的第壹性(或不可分的本性)和第二性(或不是很真實，不是很根本的本性)的區別。伽利略更進壹步，認為第二性的質量只是感官上的主觀作用，與第壹性無法脫離物體的質量有著天壤之別。在這裏，他與古代的原子論者是壹致的，因為不久前原子論者的哲學復興了。伽利略說:

當我想象壹個物質或者壹個物理物質的時候，我立刻覺得我必須想象，根據它的性質，它是有邊界和形狀的，與它旁邊的東西相比，它是大是小，它在什麽地方和什麽時候，它是運動的還是靜止的，它是單個的、少數的還是許多的，總之，我無法想象壹個沒有這些條件的物體。但關於白或紅，苦或甜，聲或無聲，香或臭，我想我的內心並沒有被迫承認這些情況壹定與對象有關；如果感官不交流，也許推理和想象永遠達不到這些。所以我覺得這些氣味、味道、顏色等等。物體的，似乎真的存在於物體中，但只是名稱，只存在於有感覺的身體中；因此，如果動物被帶走，所有這些品質都將被消除，或被摧毀。

伽利略按照這個思路重新發現了德謨克利特用原子和虛空簡明表述的原理。伽利略還接受了物質的原子理論，並相當詳細地討論了原子的數量、重量、形狀和速度的差異，以及如何引起味覺、嗅覺或聲音的差異。

在這裏，伽利略也留下了他同時代人眼中的自然圖景。在普通人眼裏，色、聲、味、臭、熱、冷這些特征是非常真實的。在伽利略看來，這些特征只是觀察者眼中的感覺，是由原子的排列或運動引起的，而原子的排列或運動本身又受制於不可改變的數學必然性。至少在他看來，原子雖然是自然的奴隸，但卻是真實存在的，第二性的品質只是感官的錯覺。壹個世紀後，貝克勒主教提出，說到底，第壹性的質量只是壹個基於感官知覺的心理學概念。

伽利略對這些問題的處理受到了人們的指責，所以這裏肯定產生了壹些二元論和唯物主義的哲學。這樣做的結果可能和法國百科全書派壹樣的錯誤:壹門科學和整個科學的關系，以及整個科學和形而上學真問題的關系，都是錯誤的。然而，我們將在本書後面的章節中更詳細地討論這些問題。

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文章評論

以下網友評論僅代表其個人觀點，不代表新浪觀點或立場。

我為賈平凹寫博客。

2005-12-15 01:57:52

不錯不錯。

太美了。我很佩服。

[匿名]小老鼠

2006-01-05 21:11:54

還不錯！

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